海河流域地下水監(jiān)測(cè)實(shí)踐與思考

王 哲，楊建青，李 宇，馬 歡

（1.水利部海河水利委員會(huì)水文局，310070，天津；2.水利部海河水利委員會(huì)，310070，天津）

海河流域地處華北平原，據(jù)統(tǒng)計(jì)，流域近40%的供水量依靠地下水源供給。由于流域水資源稟賦差、剛性需求強(qiáng)，長(zhǎng)期大量開(kāi)采地下水，導(dǎo)致局部地下水超采嚴(yán)重，引發(fā)了地下水水位下降、河道斷流、湖泊濕地萎縮、地面沉降、海水入侵等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

做好地下水水文監(jiān)測(cè)是推進(jìn)地下水超采治理和地下水管理保護(hù)的重要基礎(chǔ)和前提。2019年1月《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)方案》印發(fā)實(shí)施以來(lái)，海河流域水文部門(mén)全過(guò)程監(jiān)測(cè)地表水與地下水水量、水質(zhì)、水生態(tài)，動(dòng)態(tài)跟蹤河湖生態(tài)補(bǔ)水進(jìn)展和補(bǔ)水效果，開(kāi)展超采區(qū)地下水評(píng)價(jià)預(yù)警，定期評(píng)估地下水超采治理效果，構(gòu)建科學(xué)高效的水文監(jiān)測(cè)體系，為華北地區(qū)地下水超采綜合治理取得新成效提供了有力支撐。

一、海河流域地下水演變趨勢(shì)分析

海河流域地下水水位動(dòng)態(tài)變化受降水、蒸發(fā)、人類(lèi)開(kāi)采等多種因素影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，海河流域地下水大致分為天然平衡期、局部下降期、全面下降期、下降減緩期和止跌回升期五個(gè)時(shí)期。

1.天然平衡期（1960年以前）

1960年以前，海河流域地表水資源豐富，僅有少量的淺層地下水取水井，深層地下水未開(kāi)發(fā)。流域地下水、地表水和降雨蒸發(fā)之間處于天然循環(huán)狀態(tài)，山前地下水對(duì)河流、濕地補(bǔ)給明顯，地下水埋深在山前平原淺層為1～3 m，在濱海平原地區(qū)為0～1 m；深層地下水水位標(biāo)高均高于海平面，濱海平原水頭一般高出地面1～3 m，形成了大面積的自流水區(qū)。這一時(shí)期地下水開(kāi)采的形式主要是土井、磚井、壓水井。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)50年代末期京津冀平原地區(qū)地下水年均開(kāi)采量?jī)H為30億～40億m3，地下水開(kāi)發(fā)利用極少，流域地下水處于天然平衡。

2.局部下降期（1960—1979年）

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，海河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)開(kāi)始快速發(fā)展，人們對(duì)地下水含水層儲(chǔ)水能力的認(rèn)識(shí)水平逐步提升，打井技術(shù)日漸成熟，地下水開(kāi)采由點(diǎn)狀向面狀發(fā)展。這個(gè)時(shí)期地下水供水水源地、工業(yè)自備井和農(nóng)業(yè)開(kāi)采井成為地下水開(kāi)采的主要方式，地下水資源成為社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)最快捷可靠的供水水源。流域大清河、子牙河平原區(qū)地下水水位出現(xiàn)下降，淺層地下水水位下降速率為0.4～0.5 m/a，深層地下水水位下降速率為0.6～0.7 m/a，海河流域平原區(qū)地下水年均開(kāi)采量達(dá)到156億m3，年均開(kāi)采強(qiáng)度為11.13億m3/km2。石家莊、衡水等城市區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)地下水漏斗，原有的天然水平衡開(kāi)始打破，流域局部地區(qū)地下水水位出現(xiàn)明顯下降。

3.全面下降期（1980—2000年）

1980—2000年，隨著改革開(kāi)放，流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平迅速提升，流域總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)30%，城鎮(zhèn)化率增加12%，GDP翻了近三番。經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，水資源需求量增大，加之降雨補(bǔ)給偏少，流域形成了比較大的地下水漏斗。其中冀棗衡等深層漏斗區(qū)地下水水位下降速率達(dá)到2～3 m/a，高蠡清、寧柏隆等淺層漏斗區(qū)地下水水位下降速率達(dá)到0.6～0.9 m/a。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這一時(shí)期流域淺層地下水資源量為140.9億m3，1980年、1985年、1990年、1995年、2000年淺層地下水平均開(kāi)采量為155.6億m3，淺層地下水總體開(kāi)發(fā)利用程度為110.4%，造成流域平原區(qū)地下水累計(jì)虧損量達(dá)409億m3。除徒駭-馬頰河外，流域其他水資源二級(jí)區(qū)均處于地下水超采狀態(tài)，其中以海河南系最為嚴(yán)重，淺層地下水開(kāi)發(fā)率達(dá)到了133.7%，其次為灤河及冀東沿海平原，為113.5%，海河北系平原為111.9%。太行山前平原和山間盆地平原區(qū)呈現(xiàn)大范圍整體性超采，北部燕山平原區(qū)出現(xiàn)局部超采，流域地下水水位進(jìn)入全面下降時(shí)期。

4.下降減緩期（2001—2016年）

大范圍超采地下水造成海河流域地下水水位持續(xù)下降，由此導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，流域及地方政府開(kāi)展了引黃濟(jì)津、引黃入冀、地下水取水許可、限采等措施，深層地下水水位下降速率開(kāi)始減緩，天津、滄州等部分大中型城市地區(qū)地下水水位還出現(xiàn)回升，流域大型深層漏斗區(qū)地下水水位下降速率由3 m/a下降至2 m/a，淺層漏斗區(qū)下降速率由0.9 m/a下降至0.6 m/a。但受水資源配置和用水結(jié)構(gòu)影響，地下水水位仍在大幅下降。

5.止跌回升期（2016年至今）

2014年中央一號(hào)文件明確提出“開(kāi)展華北地下水超采漏斗區(qū)綜合治理”，隨后財(cái)政部、水利部、原農(nóng)業(yè)部、原國(guó)土資源部四部委聯(lián)合部署河北省地下水超采綜合治理工作。2019年水利部、財(cái)政部、國(guó)家發(fā)展改革委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合印發(fā)《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)方案》，要求系統(tǒng)推進(jìn)華北地區(qū)地下水超采治理。借助于南水北調(diào)東、中線，通過(guò)開(kāi)展實(shí)施全社會(huì)節(jié)水、引足用好外調(diào)水、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、河湖生態(tài)補(bǔ)水、河湖庫(kù)塘蓄水、地下水嚴(yán)格管控的“節(jié)、引、調(diào)、補(bǔ)、蓄、管”六大舉措，京津冀地下水水位開(kāi)始出現(xiàn)回升。北京市地下水水位連續(xù)6年回升，2021年平原區(qū)地下水平均埋深為16.39 m，比2014年同期回升9.14 m；天津深層地下水埋深由2017年的57.98 m回 升至2021年的49.06 m；河北省超采區(qū)深、淺層地下水水位同比分別回升5.12 m、1.87 m。地下水水位持續(xù)下降趨勢(shì)得到初步扭轉(zhuǎn)。

二、海河流域地下水現(xiàn)狀分析

1.地下水資源稟賦差

根據(jù)第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果，海河流域多年平均地下水資源量為223.54億m3，約占流域水資源總量的48%，地下水資源量模數(shù)為8.0萬(wàn)m3/km2，低于全國(guó)平均值9.5萬(wàn)m3/km2。與第二次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果相比，海河流域地下水資源量減少4.7%，其中平原區(qū)地下水可開(kāi)采量減少11%，流域地下水資源量和平原區(qū)地下水可開(kāi)采量均呈減少趨勢(shì)。

2.空間分布不均

流域平原區(qū)的地下水資源量模數(shù)大于山丘區(qū)，南部大于北部，北京、天津、河南、山東大于其他省份。在一般平原區(qū)中，地處永定河與潮白河兩大沖積扇交匯處的北京市，地下水資源量模數(shù)達(dá)30萬(wàn)～45萬(wàn)m3/km2；其他山前地帶和中部沖積湖積平原地下水資源量模數(shù)為10萬(wàn)～20萬(wàn)m3/km2；大清河淀東河北及黑龍港運(yùn)東地區(qū)，因補(bǔ)給和儲(chǔ)存條件差，地下水資源量模數(shù)僅為7萬(wàn)～10萬(wàn)m3/km2。

3.采補(bǔ)不平衡

海河流域地下水資源91%由降水補(bǔ)給形成，9%由地表水體補(bǔ)給形成。但是自20世紀(jì)中期以來(lái)，流域總體處于枯水段，降水量少，加上地下水超采嚴(yán)重，流域地下水水位持續(xù)下降，先后經(jīng)過(guò)了天然平衡、局部下降、全面下降、下降減緩和止跌回升的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。目前，流域山前平原區(qū)地下水埋深大部分超過(guò)20 m，中部平原地下水淡水分布區(qū)域地下水埋深大部分超過(guò)10 m。受地下水水位下降、包氣帶增厚、入滲系數(shù)減小的共同影響，地下水補(bǔ)給量大幅減少，地表水體對(duì)地下水的補(bǔ)給量較第一次、第二次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)分別減少13.55億m3、3.75億m3。

三、海河流域地下水監(jiān)測(cè)工作進(jìn)展

1.構(gòu)建立體水文監(jiān)測(cè)體系

海河流域充分發(fā)揮水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)和人員隊(duì)伍優(yōu)勢(shì)，建設(shè)了基于衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)掃描、水文站點(diǎn)監(jiān)測(cè)和地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)的立體水文監(jiān)測(cè)體系，力求監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)精確、服務(wù)精細(xì)。

全域規(guī)劃站網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系。圍繞河湖生態(tài)補(bǔ)水工作，每年編制《華北地區(qū)地下水超采綜合治理河湖生態(tài)補(bǔ)水水文監(jiān)測(cè)方案》，明確了包括172處河湖水文站、75處水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、930處地下水監(jiān)測(cè)站的綜合監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系，確定了監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)頻次、監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)方法、成果質(zhì)量等技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)補(bǔ)水河湖的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

全面推行先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)。充分利用11顆國(guó)產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，每季度對(duì)水利部實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水的15條河流、7個(gè)湖泊的水面面積、補(bǔ)水河長(zhǎng)、清理整治情況開(kāi)展遙感分析；充分利用無(wú)人機(jī)設(shè)備，對(duì)布設(shè)的194個(gè)河湖水文站周邊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證復(fù)核，力求做到監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)。

全力開(kāi)展巡測(cè)復(fù)核工作。自2018年開(kāi)展河湖生態(tài)補(bǔ)水以來(lái)，先后投入監(jiān)測(cè)人員150人次，累計(jì)開(kāi)展500站次地表水水量巡測(cè)和400站次地下水水位復(fù)核工作，編制完成《河湖地下水回補(bǔ)試點(diǎn)巡測(cè)、監(jiān)測(cè)復(fù)核報(bào)告》60期，發(fā)布調(diào)水信息日?qǐng)?bào)418期，為河湖生態(tài)復(fù)蘇提供了有力支撐。

2.建立地下水超采治理評(píng)估機(jī)制

進(jìn)一步健全完善工作機(jī)制，創(chuàng)新評(píng)價(jià)方式方法，動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)價(jià)河湖生態(tài)補(bǔ)水情況，開(kāi)展地下水水位變化預(yù)警和重點(diǎn)區(qū)域超采治理評(píng)估，不斷提升水文服務(wù)能力，強(qiáng)化河湖生態(tài)環(huán)境復(fù)蘇支撐。

按月跟蹤評(píng)價(jià)河湖生態(tài)補(bǔ)水和地下水水位。每月編制《華北地區(qū)地下水超采綜合治理河湖生態(tài)補(bǔ)水水文監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)》，對(duì)水利部確定實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水的15條河流和7個(gè)湖泊的濕地補(bǔ)水量、水質(zhì)情況和地下水水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。每月編制《華北地區(qū)地下水超采區(qū)地下水水位變化預(yù)警簡(jiǎn)報(bào)》，對(duì)華北地下水超采區(qū)33個(gè)地市級(jí)行政區(qū)、149個(gè)行政縣開(kāi)展地下水水位變化預(yù)警分析，并為南水北調(diào)東、中線受水區(qū)地下水壓采評(píng)估等超采治理工作提供技術(shù)支撐。

按年度定期評(píng)估地下水超采治理情況。以京津冀平原區(qū)為工作單元，充分利用地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和長(zhǎng)系列人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從時(shí)間尺度上刻畫(huà)地下水水位變化過(guò)程，從空間尺度上刻畫(huà)超采區(qū)分布情況，開(kāi)展超采面積和漏斗變化情況對(duì)比。以華北地下水超采治理區(qū)為評(píng)估區(qū)域，聯(lián)合相關(guān)單位開(kāi)展華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)年度總結(jié)評(píng)估，對(duì)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)水、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、多渠道調(diào)水補(bǔ)水、嚴(yán)格管水等超采治理措施進(jìn)行評(píng)估，支撐海河流域地下水超采區(qū)劃定、“十四五”京津冀重點(diǎn)區(qū)域地下水超采治理與保護(hù)方案制定等工作。

3.建設(shè)地下水超采治理信息系統(tǒng)

按照《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)方案》確定的治理目標(biāo)以及5大重點(diǎn)治理行動(dòng)、18項(xiàng)具體任務(wù)措施，以“一張表、一套圖、一個(gè)清單、一個(gè)系統(tǒng)”的評(píng)估體系為核心，梳理300多項(xiàng)治理指標(biāo)和7大類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用B/S架構(gòu)，開(kāi)發(fā)信息采集、數(shù)據(jù)中心、支撐平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等功能模塊，構(gòu)建了華北地區(qū)地下水超采綜合治理信息管理系統(tǒng)，基于移動(dòng)端和網(wǎng)頁(yè)端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)京津冀3省（直轄市）、11個(gè)地市、149個(gè)縣（區(qū)）總面積約8.7萬(wàn)km2地下水超采區(qū)“節(jié)”“控”“調(diào)”“管”指標(biāo)等數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析評(píng)價(jià)和綜合管理。

四、海河流域地下水監(jiān)測(cè)的后續(xù)重點(diǎn)工作

結(jié)合流域“四個(gè)統(tǒng)一”新要求，將對(duì)照《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)方案》確定的全面實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡和水資源開(kāi)發(fā)利用率進(jìn)一步降低的總體目標(biāo)，進(jìn)一步加快地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)，著力提升地下水“四預(yù)”能力，不斷加強(qiáng)地下水基礎(chǔ)研究，全面提高水文支撐服務(wù)能力水平，為實(shí)現(xiàn)海河流域地下水采補(bǔ)平衡和河湖生態(tài)復(fù)蘇提供強(qiáng)有力的支撐和保障。

1.推進(jìn)地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)

緊密結(jié)合地下水超采綜合治理和河湖生態(tài)復(fù)蘇等業(yè)務(wù)需求，統(tǒng)籌水文地質(zhì)單元和行政區(qū)劃管理要求，強(qiáng)化地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)。在行政區(qū)域方面，實(shí)現(xiàn)流域318個(gè)縣級(jí)行政區(qū)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)全覆蓋，平原區(qū)站網(wǎng)密度達(dá)到12～18站/1 000 km2，山丘區(qū)站網(wǎng)密度達(dá)到8～12站/1 000 km2。在地下水超采區(qū)方面，以控制地下水降落漏斗為目標(biāo)，在保定、邢臺(tái)等大型漏斗的中心區(qū)、過(guò)渡區(qū)、邊緣區(qū)加密布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，站網(wǎng)密度提高到30～60站/1 000 km2，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水超采區(qū)水位的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。在生態(tài)功能區(qū)方面，重點(diǎn)在滹沱河、滏陽(yáng)河和南拒馬河等生態(tài)補(bǔ)水河流左右岸兩側(cè)，白洋淀、七里海等湖泊（濕地）岸線周邊10 km范圍內(nèi)加密布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，站網(wǎng)密度達(dá)到30站/1 000 km2，形成完整統(tǒng)一、科學(xué)合理的海河流域國(guó)家級(jí)地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系。

2.提升地下水“四預(yù)”能力

對(duì)照數(shù)字孿生流域及數(shù)字孿生工程建設(shè)的總體要求，以服務(wù)華北地區(qū)地下水超采綜合治理為首要目標(biāo)，深化地下水業(yè)務(wù)系統(tǒng)“四預(yù)”建設(shè)。在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面，深入研究地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推進(jìn)建設(shè)海河流域平原區(qū)、雄安新區(qū)、滄州地區(qū)地面沉降區(qū)和河湖生態(tài)補(bǔ)水區(qū)的地下水?dāng)?shù)值模型及統(tǒng)計(jì)模型，細(xì)化源匯項(xiàng)精度，實(shí)現(xiàn)不同尺度水文地質(zhì)單元、流域區(qū)域單元的水均衡模擬和水位預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)功能，提高地下水水位預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。在預(yù)警預(yù)演方面，推進(jìn)建設(shè)面向超采區(qū)動(dòng)態(tài)評(píng)估、“雙控”管理、生態(tài)補(bǔ)水等場(chǎng)景的流域地下水預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)。選擇典型生態(tài)補(bǔ)水河流構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)水區(qū)數(shù)字孿生底板，以“一張圖”形式展示生態(tài)補(bǔ)水區(qū)時(shí)間維度、空間維度的地下水態(tài)勢(shì)變化信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)水區(qū)動(dòng)態(tài)的立體監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)展示，為刻畫(huà)補(bǔ)水區(qū)地表地下細(xì)節(jié)、呈現(xiàn)地下水流場(chǎng)特征、推演地下水水位未來(lái)趨勢(shì)變化提供綜合信息載體。

3.加強(qiáng)地下水基礎(chǔ)研究

以華北地區(qū)地下水超采治理為契機(jī)，結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《超采區(qū)地下水循環(huán)演變機(jī)理及多水源調(diào)控研究》等科研項(xiàng)目，加強(qiáng)地下水科學(xué)研究。

在地下水超采評(píng)價(jià)方面，綜合國(guó)內(nèi)外地下水超采評(píng)價(jià)技術(shù)理論體系，組織編制《地下水水位降落漏斗評(píng)價(jià)技術(shù)指南》《地下水動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)技術(shù)指南》《地下水水位變化預(yù)警技術(shù)指南》，細(xì)化實(shí)化地下水狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方法以及評(píng)價(jià)程序，精準(zhǔn)支撐地下水超采區(qū)治理監(jiān)管工作。

在河湖生態(tài)補(bǔ)水方面，針對(duì)《“十四五”華北地區(qū)河湖生態(tài)環(huán)境復(fù)蘇行動(dòng)方案》明確的48處河湖，加大空、天、地遙感技術(shù)應(yīng)用力度，強(qiáng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、遙感影像解譯、數(shù)值模擬等定量與定性分析結(jié)合，加強(qiáng)補(bǔ)水前后河道形態(tài)與生態(tài)、河道水量與水質(zhì)、地下水水位與水質(zhì)變化對(duì)比分析研究，助力復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)河湖功能永續(xù)利用。

在水資源優(yōu)化配置方面，按照地下水取水總量、水位“雙控”管理要求，從維持地下水合理水位和調(diào)蓄空間角度，把握區(qū)域水文地質(zhì)情況和地下水系統(tǒng)水動(dòng)力特征，深入研究環(huán)境變化背景下海河流域水文特征演變規(guī)律，支撐海河流域地表水、地下水、外調(diào)水和再生水等多水源水量平衡及優(yōu)化配置，全面提升海河流域水資源集約節(jié)約安全利用水平。